DE69107872T2

DE69107872T2 - Optischer Verstärker mit einer gekrümmten aktiven Einmodenfaser.

Info

Publication number: DE69107872T2
Application number: DE69107872T
Authority: DE
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti
Original assignee: Pirelli Cavi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-01-26
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2011-01-27
Also published as: ATE119690T1; FI104294B; AR247795A1; MY105414A; CS9100300A2; BR9100633A; NO910530D0; EP0442553A1; ES2072523T3; PL289030A1; KR910015871A; FI910649L; FI910649A0; PT96736A; PL164373B1; PE17791A1; JPH04298724A; EP0442553B1; HU216235B; IT9019341A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Verstärker, insbesondere für Telekommunikationsleitungen, mit einer aktiven Faser, die nur auf der Übertragungswellenlänge mit Einmodenausbreitung arbeitet.
Es ist bekannt, daß optische Fasern mit dotiertem Kern, die unter Verwendung bestimmter Substanzen, wie zum Beispiel Ionen seltener Erden, Eigenschaften stimulierter Emission aufweisen, die sie zur Verwendung als Laser-Quellen und optische Verstärker geeignet machen.
Diese Fasern können nämlich mit einer Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge, der Pumpwellenlänge, versorgt werden, durch die die Dotierungsatome in einen angeregten Energiezustand, das Pumpband, gebracht werden können, von dem dann die Atome innerhalb einer sehr kurzen Zeit spontan in einen Laser-Emissionszustand abfallen, wo sie relativ lange verbleiben.
Wenn eine Faser mit einer großen Anzahl van Atomen im angeregten Zustand auf Laseremissionniveau von einem Lichtsignal mit einer dem Laseremissionszustand entsprechenden Wellenlänge durchquert wird, verursacht das Signal den Übergang angeregter Atome auf ein niedrigeres Niveau, wobei die Lichtemission die gleiche Wellenlänge hat wie das Signal; daher kann eine Faser des oben genannte Typs zum Erzielen einer Verstärkung des Signals und insbesondere zum Beispiel zum Erzeugen optischer Leitungsverstärker verwendet werden, die ein gedämpftes optisches Übertragungssignal wieder auf ein hohes Niveau bringen, nachdem es in einer Faser einer Telekommunikationsleitung eine lange Strecke zurückgelegt hat.
Optische Verstärker des oben genannten Typs sind zum Beispiel aus der EP-A-0 425 014 des gleichen Anmelders, veröffentlicht am 2. Mai 1991, bekannt, bei denen die aktive Faser sowohl auf der Übertragungswellenlänge als auch auf der Pumpwellenlänge eine Einmodenfaser ist.
Jedoch haben diese Fasern, die sowohl auf der Übertragungswellenlänge als auch auf der Pumpwellenlänge mit Einmodenausbreitung arbeiten, eine unterschiedliche Verteilung der Lichtleistung im Faserabschnitt. Insbesondere ist die Lichtleistung des Übertragungssignals über einen größeren Bereich des Faserabschnitts verteilt als den Bereich, in dem die Pumpleistung vorhanden ist.
Das für die Verstärkung des Übertraggungssignals verantwortliche fluoreszierende Dotiermittel ist im Kern der Faser konzentriert, und die Faser ist in bekannten Verstärkern so konstruiert, daß auch die Pumpleistung auf diesen Bereich beschränkt ist, so daß sie ganz zur Anregung des fluoreszierenden Dotiermittels auf das Laseremissionsniveau verwendet werden kann. Da jedoch ein Teil der Übertragungssignalleistung an die Faser außerhalb des Bereichs geht, in dem das fluoreszierende Dotiermittel und die Pumpleistung vorhanden sind, folgt, daß nur ein Teil des Signals in dem Bereich der Faser verfügbar ist, in dem es verstärkt werden kann.
Das oben genannte Phänomen führt zu einer Begrenzung der Verstärkungseffizienz im Verstärker, die als Verstärkung des Übertragungssignals pro Pumpleistungseinheit ausgedrückt werden kann.
Folglich ergibt sich das Problem, die Effizienz im Vergleich zu bekannten Verstärkern zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung soll einen Verstärker vorsehen, bei dem die Übertragungssignalleistung und die Pumpleistung im aktiven Faserabschnitt eine im wesentlichen gleiche Verteilung haben und auch in dem Faserbereich konzentriert sind, in dem das fluoreszierende Dotiermittel vorhanden ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Verstärker vorzusehen, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
Der Krümmungsradius der gebogenen aktiven Faser ist in der Größenordnung von 20 bis 140 mm, und vorzugsweise liegt der Krümmungsradius der aktiven Faser zwischen 35 und 100 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wellenlänge des optischen Signals zwischen 1520 und 1570 nm, und die Pumpstrahlungswellenlänge beträgt 980 nm (± 10 nm), und das fluoreszierende Dotiermittel in der aktiven Faser ist Erbium.
Insbesondere hat die aktive Faser mindestens einen gebogenen Teil mit einem Krümmungsradius, bei dem in der Faser nur Einmodenausbreitung der Grundmode bei der Pumpstrahlungswellenlänge stattfindet, wobei dieser Teil mit den nicht-gebogenen Teilen der Faser ein Stück bildet und wobei die Länge des gekrümmten Teils oder die Summe der Längen der gekrümmten Teile mehr als 70% der Gesamtlänge der aktiven Faser beträgt.
Vorzugsweise weist die aktive Faser einen einzigen ununterbrochenen gebogenen Teil mit einem Krümmungsradius auf, bei dem in der Faser nur Einmodenausbreitung der fundamentalen Mode bei der Pumpstrahlungswellenlänge stattfindet, wobei Teile nicht-gekrümmter Faser entweder an dem einen oder an dem anderen oder an beiden Enden der aktiven Faser vorhanden sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkers ist die aktive Faser mit einem Krümrnungsradius gekrümmt, bei dem in der Faser über deren gesamte Länge, außer an den im wesentlichen krümmungsfreien Endteilen, deren Länge jeweils unter 400 mm beträgt, nur Einmodenausbreitung der fundamentalen Mode bei der Pumpstrahlungswellenlänge stattfindet; vorzugsweise beträgt die Länge der im wesentlichen krümmungsfreien Endteile weniger als 200 mm.
Weitere Einzelheiten werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen deutlich. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schaltplan eines optischen Verstärkers mit einer aktiven Faser;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Energieübergänge einer Faser des Typs darstellt, der für einen Verstärker nach Fig. 1 verwendet wird, wobei die Übergänge zur Erzeugung einer stimulierten (Laser-) Emission geeignet sind;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Anordnungen bezüglich der Pump-, Übertragungs- und Grenzwellenlängen zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die radiale Verteilung der Lichtintensität in einer optischen Faser zeigt;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung einer aktiven Faser eines erfindungsgemäßen Verstärkers;
Fig. 6 eine Draufsicht auf die in Fig. 5 dargestellte Faser;
Fig. 7 ein Diagramm, das die Veränderung im Modendurchmesser einer Faser in Abhängigkeit von der Wellenlänge darstellt;
Fig. 8 ein Diagramm, das die Verstärkung in einer optischen Faser in Abhängigkeit von der Länge der verwendeten aktiven Faser darstellt.
Zum Verstärken von Signalen in optischen Telekommunikationsleitungen ist die Verwendung von Verstärkern mit optischen Fasern günstig. Der Aufbau solcher Verstärker ist als Schaltplan in Fig. 1 gezeigt, wobei 1 eine optische Telekommunikationsfaser ist, in die ein von einem Signal-Laser-Emitter 2 erzeugtes optisches Signal einer Wellenlänge λs, eingespeist wird. Das nach einer bestimmten Strecke der Leitung gedämpfte Signal wird in einen Verstärker 3 eingeleitet, der im wesentlichen aus einem dichroitischen Koppler 4 besteht, wo an einer einzigen Ausgangsfaser 5 zu dem Signal eine von einem Pump-Laser-Emitter 6 erzeugte Pumpstrahlung mit der Wellenlänge λp hinzutritt. Eine mit der vom Koppler kommenden Faser 5 verbundene aktive Faser 7, stellt das Verstärker-Element für das Signal dar, das dann wieder in die Leitungsfaser 1 eingeleitet und seiner Bestimmung zugeführt wird.
Zum Herstellen der die Verstärkung des Lichtsignals erzeugenden aktiven Faser 7 wird eine optische Faser auf Silika-Basis verwendet, die mit einem fluoreszierenden Material zum Erzeugen einer Licht-Emission dotiert ist, die unter Einwirkung eines Lichtsignals stimuliert wird, das dadurch verstärkt wird.
Als fluoreszierendes Material ist Er&sub2;O&sub3; günstig, das bei Wellenlängen, die zur Fern-Übertragung von Telekommunikationssignalen geeignet sind, stimulierte Übergänge haben kann, die auch "Laser"-Übergänge genannt werden.
Wie im Diagramm von Fig. 2 dargestellt, das sich auf eine Faser des oben genannten Typs bezieht, wobei die verfügbaren Energie-Zustände für eine Erbium-Ionen-Lösung in der Matrix der Faser auf Silika-Basis symbolisch dargestellt sind, bringt das Einleiten einer Lichtleistung in die aktive Faser mit "Pump"-Wellenlänge λp, die niedriger ist als die Wellenlänge λs des optischen Signals, eine bestimmte Anzahl als Dotierungsmittel in der Glasfasermatrix vorhandener Er³&spplus;-Ionen in einen "angeregten" Energiezustand 8, der als "Pump"-Band bezeichnet wird, von dem die Ionen spontan auf ein Niveau 9 abfallen, das ein Laser-Emissions-Niveau ist.
Es ist bekannt, daß der Übergang vom Band 8 zum Niveau 9 zwar mit einer Emission thermischen Typs verbunden ist, die nach außerhalb der Faser abgeleitet wird (Phononen-Strahlung), jedoch der Übergang vom Niveau 9 auf das Basisniveau 10 eine Lichtemission einer Wellenlänge erzeugt, die dem Energiewert des Laser-Emissions-Niveaus 9 entspricht. Wenn eine eine große Anzahl von Ionen auf dem Laser-Emissions-Niveau aufweisende Faser von einem Signal mit einer einem solchen Emissionsniveau entsprechenden Wellenlänge durchquert wird, verursacht das Signal den stimulierten Übergang der betroffenen Ionen vom Emissionzustand zum Basiszustand vor deren spontanem Abfall, wobei ein Kaskadenphänomen die Emission eines hoch verstärkten Übertragungssignals am Ausgang der aktiven Faser erzeugt.
In Fig. 4 ist in einem axialen Schnitt das mit 11 bezeichnete Ende einer Faser schematisch dargestellt; ein Kern 12 und eine Ummantelung 13 sind für eine solche Faser vorgesehen, die durch unterschiedliche Brechungsindizes gekennzeichnet sind.
Zur Verwendung als aktive Faser in einem Verstärker ist das Dotiermittel, d.h. Er³&spplus;, im Kern 12 vorhanden.
Um eine hohe Verstärkung zu erzielen, ist es günstig, wenn die aktive Faser 7 im Verstärker sowohl bei der Wellenlänge des optischen Signals als auch der Pumpwellenlänge eine Einmoden-Faser ist, wie das in der EP-A-0 425 014 im Namen des gleichen Anmelders offenbart ist.
Das bisher gesagte bedeutet also, daß, wie in Fig. 3 dagestellt, aufgrund des in dieser Erfindung offenbarten, die aktive Faser solche Abmessungen hat, daß die Faser-Grenzwellenlänge λc1, die auch "λcut-off" genannt wird, über der ausschließlich eine Ausbreitung der Grundmode in der Faser stattfindet, sowohl niedriger ist als die Wellenlänge des optischen Signals λs als auch niedriger als die Wellenlänge der Pumpstrahlung λp.
Die wichtigen Maße zum Wählen der Grenzwellenlänge der Faser sind im wesentlichen die numerische Apertur NA und der Kerndurchmesser.
Die numerische Apertur NA der Faser mit einem Brechungs- Index-Profil von im wesentlichen dem "Schritt-Index"-Typ oder dergleichen ist wie folgt definiert:
NA = (n&sub1;² - n&sub2;²)1/2
wobei n&sub1; der Brechungsindex des Faserkerns und n&sub2; der Brechnungsindex der Faser-Ummantelung ist.
Es ist bekannt, daß die erwünschten Brechungsindizes des Faserkerns und der Ummantelung durch eine entsprechende Auswahl des primären Dotiermittels im Kern und in der Ummantelung oder durch Auswahl des Index-Variator-Dotiermittels, das in die Vorform eingeführt wird, aus der die Faser durch bekannte Techniken hergestellt wird, erzielt werden können.
Die zu diesem Zweck verwendeten Dotiermittel sind entweder GeO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3;.
In der Faser weist eine Licht-Strahlung mit einer Wellenlänge, die eine Einmoden-Ausbreitung in der Faser hat, die höher ist als die Faser-Grenzwellenlänge, eine radiale Verteilung der Lichtintensität des in Fig. 4 durch die Kurven P und S gezeigten Typs auf, deren Verlauf im wesentlichen einer Gauss-Kurve folgt, mit einer maximalen Intensität Imax entlang der Faserachse und mit gegen den Faser-Rand bis auf null absinkenden Werten.
Aufgrund der obigen Verteilung wird ein Moden-Durchmesser als der Durchmesser definiert, bei dem eine Lichtintensität I( m) in der Faser herrscht, die den folgenden Wert hat:
I( m) = 1/e² Imax,
wobei Imax nach den Bestimmungen CCITT G.652 (Consultative Committee International Telegram and Telephone) die maximale Licht-Intensität in der Faser ist.
Wie aus der Zeichnung deutlich wird, ist der größte Teil der übertragenen Lichtleistung im wesentlichen auf den Moden-Durchmesser beschränkt.
Für. eine effiziente Verstärkung ist es sehr wichtig, daß im Faserkern 12 eine hohe Dichte der Pumpleistung herrscht, wo das fluoreszierende Dotiermittel vorhanden ist, so daß eine hohe Populations-Inversion im Dotiermittel beibehalten werden kann, das heißt, ein hoher Anteil der zur Verstärkung auf dem höheren Laser-Niveau 9 verfügbaren Dotiermlttel-Atome, im Gegensatz zu denen im Basiszustand 10. Außerhalb des Kerns, wo kein Dotiermittel vorhanden ist, trägt die Pump-Leistung im wesentlichen nicht zur Dotiermittel-Inversion auf das höhere Laser-Niveau bei.
Auch das optische Signal sollte eine radiale Intensitätsverteilung in der Faser haben, die ähnlich der des Pumpsignals ist, damit es in den Faserbereich übertragen werden kann, in dem der größte Teil der Licht-Pump-Leistung vorhanden ist, so daß es mit größter Wirkung verstärkt werden kann.
Zu diesem Zweck sollten die Moden-Durchmesser des Pumpsignals und des optischen Signals so ähnlich wie möglich sein.
Bei einer optischen Faser des Typs mit einem Kern 12 und einer Ummantelung 13, wie sie in Fig. 4 in Ausrichtung mit den Diagrammen der radialen Licht-Intensitäts-Verteilung des Pumpund des Übertragungssignals dargestellt ist, ist der Moden- Durchmesser s bei der Wellenlänge des optischen Signals λs, dessen Licht-Intensitäts-Verteilungskurve durch die Linie S in der Zeichnung dargestellt ist, erheblich größer als der Modendurchmesser p bei der Pump-Strahlungs-Wellenlänge λp, dessen Intensitätskurve P ist und der im wesentlichen dem Durchmesser des Kerns 12 entspricht. Daraus folgt, daß ein wesentlicher Teil des Lichtsignals sich nicht in dem Bereich der aktiven Faser fortbewegt, an das die Pumpenergie geleitet wird und in dem das Dotiermittel vorhanden ist.
Es ist nämlich zu bemerken, daß der Modendurchmesser, der bei nahe bei der Grenzwellenlänge Xc der Faser liegenden Wellenlängenwerten im wesentlichen konstant und vom Kerndurchmesser der Faser selbst nicht sehr verschieden ist, bei größeren λ-Werten erheblich steigt, wie in Fig. 7 dargestellt. Um daher zu garantieren, daß die Faser mit Einmoden-Ausbreitung bei der Pump-Strahlungs-Wellenlänge λp arbeitet, muß zum Beispiel im Fall von Verstärkern mit einer mit Erbium dotierten aktiven Faser, bei 980 nm (± 10%), eine Faser mit einer Grenzwellenlänge λc verwendet werden, die kleiner ist als 980 nm, und daher wird ein sehr großer Moden-Durchmesser bei der Wellenlänge λs des optischen Signals erreicht, der wesentlich größer ist als der Modendurchmesser bei der Pump-Strahlungs- Wellenlänge λp, so daß ein großer Teil des optischen Signals sich nicht in den Faserbereich hinein fortsetzt, in dem es verstärkt werden kann.
Das oben genannte Verhalten tritt auf, wenn die aktive Faser eine geradlinige oder im wesentlichen geradlinige Anordnung hat, wobei der Ausdruck "im wesentlichen geradlinige Anordnung" bedeutet, daß die Faser keinen geometrischen Verformungen unterzogen wird, die das optische Verhalten der Faser wesentlich beeinflußen könnten. Aus diesem Grund ist in Übereinstimmung mit den Bestimmungen (CCITT, Instruction G.652) vorgesehen, die theoretische Grenzwellenlänge auf der Grundlage des Profils des Brechungsindex in der Faser und der Grenzwellenlänge unter Betriebsbedingungen zu bestimmen.
Insbesondere berücksichtigen diese Bestimmungen die Möglichkeit, die Grenzwellenlänge für eine installierte Faser zu bestimmen, wobei die Messung an einem einzelnen Faserring mit einem Radius von 140 mm durchgeführt wird. Die erfaßte Veränderung der Grenzwellenlänge ist auf der anderen Seite unter diesen Bedingungen im Vergleich mit dem theoretischen Wert ziemlich klein, was einen Unterschied von weniger als ungefähr 5% im Vergleich zur zu erwartenden theoretischen Grenzwellenlänge ausmacht.
Nach der vorliegenden Erfindung wird als aktive Faser des Verstärkers eine Faser des Typs ausgewählt, die ausschließlich bei der Wellenlänge λs des optischen Signals Einmoden-Ausbreitung aufweist, das heißt, bei der der Wert der Grenzwellenlänge λc2 kleiner ist als λs, jedoch wesentlich höher als λp, wie in Fig. 3 gezeigt.
Bei dieser Faser erscheint der Modendurchmesser bei der Wellenlänge des optischen Signals vor allem im Bereich von 1520 bis 1570 nm in der Nähe des Durchmessers des Faserkerns ausreichend klein. Diese Wellenlänge ist für Verstärker mit erbiumdotierten aktiven Fasern geeignet, da bei ihnen die Wellenlänge des optischen Signals nahe bei der Grenzwellenlänge ist. Die Grundmode der Pumpstrahlung hat ihrerseits einen Durchmesser, der nahe dem des Faserkerns liegt, und daher wird die optische Signalleistung im wesentlichen in den Faserbereich eingeschränkt, in dem die Pumpstrahlung und das aktive Dotiermittel vorhanden sind.
Die aktive Faser ist über ihre gesamte Länge kurvenförmig angeordnet, in der Form von den Verstärker bildenden Spulen, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, wo sie zum Beispiel um einen zylindrischen Träger oder dergleichen gewickelt ist. Die Krümmung der Faser wird erfindungsgemäß mit einem Radius Rc gewählt, der beträchtlich kleiner ist als 140 mm, um so nur eine Einmodenverbreitung im Grundmodus in der Faser zuzulassen, auch dann, wenn die Wellenlängen niedriger sind als die oben genannte Wellenlänge λc2, und insbesondere auch bei der Pumpstrahlungswellenlänge λp.
Die Faserkrümmung verursacht nämlich, daß die Faser auschließlich die Grundmode überträgt bei Wellenlängen, die mit ausgeprägterer Krümmung der Faser, das heißt, wenn Rc kleiner wird, immer kleiner werden. Es ist daher möglich, einen Krümmungsradius Rp zu definieren, bei dem bei einer vorgegebenen Wellenlänge und insbesondere bei der Pumpstrahlungswellenlänge die einzige in der Faser mögliche Ausbreitung diejenige in der Grundmode ist.
Der für die aktive Faser angenommene Krümmungsradius Rc muß daher kleiner oder gleich dem oben genannten Radius Rp sein. Da die Krümmung durch eine mechanische Schwächung der Faserstruktur verursacht sein kann, wodurch es zu Brüchen oder Rissen kommen kann, wird in der praktischen Anwendung ein Krümmungsradius von Rp oder annähernd Rp verwendet.
Die Wahl eines geeigneten Wertes für die Krümmung ermöglicht ein Ausschließen von Moden, die höher sind als die aus der aktiven Faser auszuschließende Pumpstrahlungswellenlänge, so daß in der Faser ausschließlich die Grundmode der Pumpstrahlung unterstützt wird, während eine Grenzwellenlänge beibehalten wird, die zu einem kleinen Modendurchmesser der Faser bei der Wellenlänge des optischen Signals führt.
Auf diese Weise ist es möglich, eine besonders hohe Verstärkungseffizienz zu erzielen, das bedeutet eine hohe Verstärkung pro gelieferter Pumpleistungseinheit, so daß zum Erzielen der erwünschten Verstärkung eine Faser kürzerer Länge verwendet werden kann, wie in Fig. 8 dargestellt, wobei gesehen werden kann, daß eine Verstärkung G&sub0; mit einer aktiven Faser einer Länge L&sub1; mit einer Grenzwellenlänge λc2 > 980 nm erzielt werden kann, was erheblich kleiner ist als die Länge L&sub2;, die zum Erzielen der gleichen Verstärkung in einer Faser mit einer Grenzwellenlänge λc1 < 980 nm erforderlich wäre.
Im dichroitischen Koppler 4, der nach den Erkenntnissen der oben genannten EP-A-0 425 014 hergestellt ist, ist die Transportfaser 5 der mit der Pumpstrahlung gekoppelten optischen Signale bei beiden Wellenlängen eine Einmodenfaser. Diese Faser hat daher einen Modendurchmesser bei der Wellenlänge λs des optischen Signals, der größer ist als der Modendurchmesser in der erfindungsgemäßen aktiven Faser. Die Schweißung zwischen den Fasern 5 und 11 weist eine Dämpfung bei der Wellenlänge des optischen Signals auf, die von einem solchen Durchmesserunterschied herrührt.
Eine weitere Lichtdämpfung geschieht in der Schweißung zwischen der aktiven Faser und der Leitungsfaser 1. Obwohl nämlich die als Leitungsfasern verwendeten handelsüblichen Fasern ausschließlich bei der Wellenlänge des optischen Signals in dem Bereich zwischen 1520 und 1570 nm Einmoden-Fasern sind, haben sie zum Bewerkstelligen einfacher Fügungen und dergleichen einen ziemlich großen Modendurchmesser, der größer oder gleich dem Modendurchmesser der Kopplerfaser 5 ist.
Die Gesamtverstärkung Gex in einem Verstärker wird durch die innere Verstärkung der aktiven Faser Gin abzüglich Verluste oder Dämpfungen As aufgrund der Schweißungen zwischen den verschiedenen Fasern angegeben: Um dieses Ergebnis zu erzielen ist daher eine Verstärkung der aktiven Faser von Gin = Gex + As erforderlich.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Faser mit einem sehr kleinen Modendurchmesser bringt größere Verluste aufgrund von Schweißung mit sich als aktive Fasern, die auch bei der Wellenlänge λp Einmodenausbreitung aufweisen, doch erscheinen diese zusätzlichen Verluste im Vergleich zur erzielten Effizienzsteigerung allgemein vernachlässigbar.
Der Mindest-Krümmungsradius Rc der aktiven Faser geeigneter Verwendung ist größer als ungefähr 20 mm. Bei Unterschreiten dieses Radius wird die mechanische Haltbarkeit der gebogenen Faser kritisch, und außerdem nehmen die Schweißungsverluste an den Fügungen aufgrund des Unterschieds zwischen den Modendurchmessern der aktiven Faser und der Leitungsfaser oder der aus dem Koppler kommenden Faser beträchtliche Werte an, während Krümmungsradien, die 140 mm überschreiten zum Erzielen eines wesentlichen Verschiebens der Grenzwellenlänge wenig geeignet sind. Vorzugsweise ist Rc > 35 mm, und es wird besonders vorgezogen, wenn 50 mm ≤ Rc ≤ 100 mm.
In Verbindung mit diesen Krümmungsradien ist der maximale Wert einer Grenzwellenlänge λc unter geradlinigen Bedingungen, wodurch die Einmodenausbreitung der Pumpstrahlung bei 980 nm erzielt werden kann, wenn die Faser in einem entsprechenden Krümmungsradius gebogen ist, ohne daß kritische Werte bei der mechanischen Festigkeit der Faser selbst erreicht werden, ungefähr 1280 nm, was einem Modendurchmesser von ungefähr 4 um entspricht. Bei einem Krümmungsradius Rc von 50 mm ist der Grenzwellenlängenwert λc ungefähr 1100 nm, wobei der Modendurchmesser ungefähr 5,3 um beträgt, während die Grundmode der Pumpstrahlung ungefähr einen Durchmesser von 3,8+4 um hat.
Bei einer Einmodenfaser in geradliniger Ausrichtung ist bei der Pumpstrahlungswellenlänge der Modendurchmesser bei der Wellenlänge des optischen Signals größer als 6 um.
Für die beste Ausnutzung der Eigenschaften der aktiven Faser im erfindungsgemäßen Verstärker ist es die Gesamtlänge der aktiven Faser, die vorzugsweise im vorgesehenen Krümmungsradius gebogen sein sollte, das heißt, daß die aktive Faser in einer gekrümmten Ausrichtung angeordnet sein muß, zum Beispiel in Form von Spulen auf den entsprechenden Träger aufgewickelt, wie als Diagramm in Fig. 5 gezeigt, unmittelbar nach der Schweißverbindung 15 der Kopplerfaser 5.
Sollte das oben genannte nicht möglich oder erwünscht sein, um zum Beispiel zu verhindern, daß die durch die gebogene Anordnung der aktiven Faser verursachte Krümmungsbelastung sich auf die Schweißung 15 überträgt, die normalerweise einen mechanischen Schwachpunkt in der Faser darstellt, kann, wie in Fig. 6 dargestellt, die Anwesenheit eines nicht-gebogenen Stücks 16 der aktiven Faser akzeptiert werden, da diese Maßnahme zu keiner wesentlichen Verringerung der durch die Krümmung der aktiven Faser gegebenen Vorteile führt.
Vorzugsweise ist die Länge Lr des Teils 16 der aktiven Faser, der geradlinig oder im wesentlichen geradlinig verläuft, das heißt, der unmittelbar nach dem Koppler einen Krümmungsradius hat, der größer ist als der oben definierte Rc, kürzer als 400 mm und, was besonders bevorzugt wird, Lr ≤ 200 mm. Ein solches, im wesentlichen geradlinig verlaufendes Stück Faser kann auch am anderen Ende der Faser nahe der Verbindung mit der Leitungsfaser sein, ohne daß die Verstärkungseffizienz wesentlich beeinflußt wird.
Die Kopplung der höheren Moden in der Faser findet nämlich proportional zur zurückgelegten Strecke in der Faser selbst statt, und daher findet nach einem Stück der genannten Länge in der aktiven Faser keine wesentliche Pumpleistungsübertragung von der Grundmode auf höhere Moden statt.
Auf der anderen Seite können auch nützliche Ergebnisse, das heißt eine Steigerung der Verstärkungseffizienz bei Verstärkern mit einer aktiven Einmodenfaser auch bei der Pump- Wellenlänge, mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Und zwar kann das mit einer aktiven Faser bewerkstelligt werden, die nur über einen Teil ihrer Länge gekrümmt ist, wenn das zum Eingehen auf Erfordernisse verschiedener Herkunft nötig sein sollte, vorausgesetzt der Teil gekrümmter Faser mit dem der Ausbreitung ausschließlich der Grundmode der Pumpleistung entsprechenden Krümmungsradius ist größer als 70% der Faser-Gesamtlänge.
Für die Konstruktion und insbesondere zum Einschränken der Platzanforderungen der Verstärkerstruktur ist der gekrümmte Teil der Faser der mittlere Teil der aktiven Faser, während der vordere und der hintere Teil der Faser, die an die Endschweißungen der Faser selbst anschließen, auch einen geradlinigen Fortsatz haben können. Die Faser kann aber bei ganz bestimmten Anforderungen mehrere gekrümmte Teile abwechselnd mit im wesentlichen geradlinigen Teilen haben.
Zum Beispiel wurde eine mit Erbium dotierte aktive Faser mit den folgenden Eigenschaften hergestellt:
Kerndurchmesser 3,6 um
Numerische Apertur (n&sub1;² - n&sub2;²)1/2 0,23
λc (theoretische Grenzwellenlänge) 1100 nm
Signalmodendurchmesser 5,3 um
Erbiumgehalt (Gewicht des Er&sub2;O&sub3;) 350 ppm
Mit der oben genannten Faser wurde ein Verstärker in Übereinstimmung mit dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm hergestellt, bei dem die Faser fortlaufende Spulen mit einem Krümmungsradius von R = 50 mm über deren gesamte Länge bildet. Unter diesen Umständen wurde der Wert für die Grenzwellenlänge gemessen:
λc (R) (Grenzwellenlänge bei Radius R) 980 nm
Der unter Verwendung einer Faser ausgebildete Verstärker hatte die folgenden Eigenschaften:
Pumpleistung 17 mW
Länge der aktiven Faser 8,4 m
Der Verstärker wurde an eine Leitungsfaser mit einer Grenzfrequenz λc (F) = 1100 nm angeschlossen, wodurch das in der Leistung zu verstärkende Signal erzeugt wurde:
Leistung des Eingangssignals - 45 dBm
Der optische Koppler des Verstärkers veranlaßte, daß die Faser das optische Signal und Pumpstrahlung mit einer Grenzwellenlänge λc (A) = 980 nm weiterleitete.
Aufgrund der beschriebenen Konfiguration wurde die folgende Verstärkung erzielt:
G&sub1; 30 dB
Zum Vergleich wurde ein Verstärker mit der gleichen strukturellen Anordnung hergestellt, wobei eine aktive Faser mit den folgenden Eigenschaften verwendet wurde:
Kerndurchmesser 3,6 um
Numerische Apertur (n&sub1;² - n&sub2;²)1/2 0,21
λc (theoretische Grenzwellenlänge) 980 nm
Signalmodendurchmesser 6,2 um
Erbiumgehalt (Gewicht des Er&sub2;O&sub3;) 350 ppm
Die Faser wurde im Verstärker unter Bedingungen im wesentlichen geradliniger Ausrichtung in dem oben gezeigten Sinn eingesetzt, um so beträchtliche Variationen bei der Verstärker-Grenzwellenlänge zu erreichen.
Der Verstärker hatte die folgenden Eigenschaften:
Pumpleistung 20 mW
Länge der aktiven Faser 10 m
Das zu verstärkende Signal, das von der aktiven Faser weitergeleitet wurde, die ähnlich der Faser des vorhergehenden Beispiels war, hatte die folgende Leistung:
Leistung des Eingangssignals - 45 dBm
Die folgende Verstärkung wurde erzielt:
G&sub2; 30 dB
Wie gesehen werden kann, konnte der erfindungsgemäße Verstärker die gleiche Verstärkung erzielen wie ein vergleichbarer Verstärker, bei dem eine im wesentlichen geradlinig verlaufende Faser verwendet wurde, obgleich eine kürzere aktive Faser mit niedrigerer Pumpleistung eingesetzt wurde, wodurch eine erheblich verbesserte Effizienz gezeigt wurde.
Die Trägerstruktur für die in Spulen gelegten Faserwindungen, wodurch sie im vorgesehenen Krümmungsradius gehalten werden, kann auf jede beliebige Art beschaffen sein, was auch von den strukturellen Eigenschaften des Verstärkergehäuses abhängt und daher hier nicht im einzelnen beschrieben ist.
Viele Abänderungen können ohne Abweichen vom Umfang der allgemeinen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.

Claims

1. In Reihe in eine Faser-Nachrichtenübertragungsleitung einfügbarer optischer Verstärker.zum Verstärken sich in der Faserleitung ausbreitender optischer Signale mit

wenigstens einer Pumplichtquelle (6) zum Erzeugen einer optischen Strahlung mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die des optischen Signals,

einer aktiven optischen Faser (7), in deren optischem Kern ein fluoreszierendes Dotiermittel enthalten ist, die Licht im Wellenlängenbereich des optischen Signals emittieren kann, wenn bei der Wellenlänge der Pumplichtquelle eingepumpt wird, und

einem dichroitischen Koppler (4) mit zwei an die optische Faserleitung bzw. die Pumplichtquelle angeschlossenen Eingängen und einem an ein Ende der aktiven Faser angeschlossenen Ausgang (5),

wobei

die aktive optische Faser (7) in im wesentlichen geradliniger Ausrichtung eine Einmoden-Ausbreitung bei der Wellenlänge des optischen Signals und eine Mehrmoden-Ausbreitung bei der Wellenlänge der Pumpstrahlung gestattet, und wobei die aktive Faser über wenigsten 70% ihrer Gesamtlänge gekrümmt angeordnet ist, mit einem Krümmungsradius, bei dem die Faser nur eine Einmoden-Ausbreitung des Grundmodus bei der Wellenlänge der Pumpstrahlung zuläßt.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Faser (7) so gekrümmt ist, daß ihr Krümmungsradius im Bereich von 20 bis 140 mm liegt.

3. Optischer Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der aktiven Faser im Bereich von 35 bis 100 mm liegt.

4. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des optischen Signals im Bereich von 1520 bis 1570 nm und die Wellenlänge der Pumpstrahlung bei 980 nm (± 10 nm) liegt und das fluoreszierende Dotiermittel in der aktiven Faser Erbium ist.

5. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Faser (7) wenigstens einen gekrümmten Bereich (11) aufweist, dessen Krümmungsradius so bemessen ist, daß die Faser nur eine Einmoden-Ausbreitung des Grundmodus bei der Wellenlänge der Pumpstrahlung zuläßt, wobei dieser Bereich an nicht gekrümmten Faserbereichen (16) anliegt und die Länge des gekrümmten Bereichs oder die Summe der Längen der gekrümmten Bereiche größer als 70% der Qesamtlänge der aktiven Faser ist.

6. Optischer Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Faser (7) einen einzigen durchgehenden gekrümmten Bereich (11) mit einem Krümmungsradius aufweist, derart, daß die Faser nur eine Einmoden-Ausbreitung des Grundmodus bei der Wellenlänge der Pumpstrahlung zuläßt, und wobei die gekrümmten Faserbereiche (16) an einem oder an beiden Enden der aktiven Faser vorgesehen sind.

7. Optischer Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Faser (7) mit einem Krümmungsradius gekrümmt ist, bei dem die Faser nur eine Einmoden-Ausbreitung des Grundmodus bei der Wellenlänge der Pumpstrahlung über ihre gesamte Länge zuläßt, an von den.Endbereichen (16) entfernten Stellen, die biegungsfrei sind und je eine Länge von weniger als 400 mm aufweisen.

8. Optischer Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen biegungsfreien Endbereiche (16) eine Länge von weniger als 200 mm aufweisen.